化合物半导体卡位“双碳”需求 加速渗透功率电子市场

    虽然受到全球疫情反复等多种不利因素的影响，但化合物半导体在功率电子的渗透率在持续攀升，不断在高压汽车电驱系统、高压快充桩、消费电子适配器，数据中心、通讯基站电源、新型电力系统等领域拓展市场。

    碳化硅产业链崛起

    在日前举行的2022集邦咨询第三代半导体前沿趋势研讨会上，集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄介绍，在下游需求持续旺盛推动下，碳化硅外延设备在近五年正在以超过20%的复合增长率在增长。其中，碳化硅衬底是产业发展的关键，目前业界致力于8英寸扩径，以进一步降低成本。

    “4英寸导电型碳化硅衬底的价格非常稳定，主要应用在一些低端器件二极管市场；6英寸片随着技术不断成熟以及产能扩充，价格持续下降；8英寸片刚推向市场，良率比较低，而且制造成本过高，短期内不具备性价比，但未来下降空间相当大。”龚瑞骄预计，6英寸片将会长时间作为市场主流产品，8英寸片市场份额将在2026年达到约15%，而4英寸片则会慢慢淡出市场。

    作为全球碳化硅材料市场龙头，Wolfspeed已经在加速碳化硅器件的研发和生产。今年4月，Wolfspeed全球最大的首座8英寸SiC（碳化硅）工厂正式开业，该工厂预计2024年达产，届时产能将达2017年的30倍。Wolfspeed已与多家器件厂商、车企签订了衬底、器件相关的长期供货协议，SiC车用等业务规模稳步扩大。

    中国正在大量布局碳化硅衬底产能，代表性厂商包括天科合达、天岳先进、烁科晶体、同光半导体、盛新材料、三安光电、南砂晶圆、露笑科技、东尼电子等，产品结构逐渐向导电型调整。7月22日，天岳先进披露斩获近14亿元的6英寸导电型碳化硅衬底产品订单。

    “受益于车用市场的繁荣，碳化硅市场已经开始大规模放量，但目前整个产业链还尚未完全成熟，代工厂的成长是非常的必要。”龚瑞骄表示，上汽、北汽、广汽、吉利等车厂正在掷重金投向本土的碳化硅产业链，泰科天润、瀚薪、派恩杰等厂商正快速崛起。

    碳化硅配套产业链也在迅速发展。爱思强工艺经理陈伟介绍，公司外延片设备已经可以实现4/6/8英寸自由切换，目前爱思强也已经向市场推出8英寸的SiC量产设备。据估算，公司2022年设备出货量将达到2020年的两倍。

    材料方面，贺利氏推出的新型材料系统可以结合铜键合线和烧结工艺，成功突破了现有封装材料的极限，是SiC电力电子器件封装互联的创新解决方案，尤其是适用于电动汽车高功率电力电子领域。

    智能高压电网

    试水碳化硅方案

    根据TrendForce集邦咨询最新报告《2022第三代半导体功率应用市场报告》显示，随着越来越多车企开始在电驱系统中导入SiC技术，预估2022年车用SiC功率元件市场规模将达到10.7亿美元，到2026年将攀升至39.4亿美元。

    除了车载应用，碳化硅的替代方案开始在工业的UPS系统（不间断电源）、轨道交通等领域推出，其中，日本的三菱和日立已经走到行业的前沿，国内中车时代电气也有布局。

    基本半导体技术营销副总监刘诚介绍，公司从2018年开始布局汽车级碳化硅模块研发和制造，现推出了Pcore6、Pcore2、Pcell三个系列产品，并获得多个车型的定点。2021年通线的汽车级碳化硅功率模块封装产线已进入量产阶段，未来预计车用空调、新燃料汽车、新型储能电源等都将有望增加对碳化硅的应用。但受制于良品率、封装材料等特性，智能高压电网领域的应用还处于起步阶段。

    厦门大学讲座教授、国网全球能源互联网研究院原院长邱宇峰指出，各类电力电子设备将在以新能源为主体的新型电力系统的各个层面发挥关键支撑作用。

    据介绍，传统硅基器件固有的耐压低、电流密度低、频率低、开关速度低等弱点，导致装置体积大、重量高、功率密度低，限制了电力电子装备的应用。相比，SiC器件的优势在于高压（达数万伏）、高温（大于500℃），可突破硅器件在电压（数kV）和温度（小于200℃）等方面的局限性，是制备高电压、大功率器件的新型战略性材料，高压大功率SiC器件将给电力系统带来深刻变革。

    邱宇峰也指出，当前碳化硅器件的应用尚处于试验探索阶段，面向电网应用的碳化硅器件还需要在大尺寸高质量衬底外延材料、芯片电流密度、高压绝缘封装材料等方面进一步开展研究。

    氮化镓拓展

    数据中心市场

    目前氮化镓材料被广泛应用在功率半导体、微波射频元件以及光电元件。据集邦咨询预估，2022年氮化镓的功率元件市场规模将达到2.61亿美元，并在2026年攀升至17.68亿美元，复合增长率达到61%。

    “随着氮化镓技术不断成熟和成本不断降低，氮化镓功率元件应用市场正由当前的消费电子逐步延伸到数据中心、可再生能源以及汽车领域。”龚瑞骄指出，目前硅基氮化镓市场绝大部分厂商的产品集中在600~650伏区间。碳化硅受益于800V高压汽车平台需求的推动，上车时机已经非常成熟，相比之下，氮化镓还处于非常早期的阶段，供应链生态和产能、技术还并不成熟。

    从技术定位来看，目前碳化硅比较适用高压组件，氮化镓适合在混动的OBC（车载充电机）、激光雷达BMS（电池管理系统）等，预计随着氮化镓的技术不断成熟、成本降低，氮化镓有望在汽车市场进一步提升比重。

    氮化镓厂商也在从快充向更多领域拓展市场。英诺赛科基于GaN开发了下一代数据中心供电系统用功率器件，产品耐压值涵盖40V、100V、150V、650V，面向数据中心通信基站、电机驱动、移动储能、工业电源等不同的应用场景。

    英诺赛科产品应用总监邹艳波介绍，公司的氮化镓48伏数据中心供电架构与传统数据中心架构对比，可以将功率提高4倍。目前公司珠海基地氮化镓晶圆产能达到4000片/月，苏州基地去年6月实现量产，达到6000片/月，合计供应超过全球50%以上氮化镓产能。

    英诺赛科首席营销官冯雷接受证券时报记者采访时指出，英诺赛科是全球首家8英寸硅基氮化镓IDM公司，目前随着新产品的面世，来自充电器市场收入占比在逐渐降低。氮化镓产能基本可以满足今年和明年的需求，预计2024年后，氮化镓市场需求将开始指数级的增长，主要将来自数据中心和服务器的应用驱动。

    “氮化镓作为第三代半导体的成功代表，在数据中心电源中体现出效率更高、体积小、功率密度更大的优势，各个主要数据中心和服务器供应商都是明确将氮化镓作为大功率电源的方向，这个技术路径基本上是不可能走回头路的。”冯雷表示，目前氮化镓功率器件成本也在下降，与硅基差异从5倍、6倍已经降到2倍甚至1.5倍非常接近的水平，但相比器件本身的成本，市场更重视氮化镓带来的系统级的成本降低和收益提高，为推广应用提供可能。

    8月9日，美国总统拜登在华盛顿签署《2022年芯片和科学法案》；另外，美国商务部工业与安全局（BIS）最新规定，从8月15日开始，升级超宽禁带半导体材料氧化镓和金刚石超宽禁带半导体衬底的出口限制。

    对于美国芯片方案，冯雷向记者表示，“半导体是一个全球化的产业，逆全球化的行为不应该被鼓励；另一方面，说明一个国家拥有自主的半导体制造能力十分重要，相信这也让更多的客户和业界同仁同意我们走IDM模式是完全正确的。”